Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Препринт / Техника сегодня
Начало сайта / Препринт / Техника сегодня

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Научно-популярные статьи

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Бермудский треугольник: мифы и реальность

Доктор занимательных наук

Механизм ответственной власти

Плеяда великих медиков

Смотри в корень!

Часы. От гномона до атомных часов

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Препринт

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Супервариатор – перспективная бесступенчатая коробка передач для автомобилей

Нурбей Гулиа, Иван БЕССУДНОВ

Для чего нужна автомобильная коробка передач?

Чаще всего на этот вопрос отвечают так – для изменения скорости движения машины. Это однобокое понимание вопроса. Изменять скорость можно и подачей топлива в двигатель, то есть педалью акселератора. Если двигатель мощный, то и разогнаться от состояния покоя до максимальной скорости можно, не пользуясь коробкой передач. Только разгон этот будет очень долгим.

Если говорить более точно, то коробка передач нужна для изменения крутящего момента двигателя, причем при его увеличении во столько же раз будет уменьшаться частота вращения. Чтобы понять, насколько неоднозначна роль коробки передач для автомобиля, проведем такой опыт. Дадим полную подачу топлива в двигатель (говоря по-научному, используем его «внешнюю скоростную характеристику») и начнем переключать передачи с низшей на высшие. Представим, например, что наш автомобиль – тягач аж с шестнадцатью передачами, чтобы прочувствовать влияние гаммы этих передач.

На нескольких первых передачах автомобиль будет буквально «рваться» вперед, развивая максимальные ускорения. Обороты двигателя будут скакать в достаточно широких пределах при каждом переключении передач. Затем, на какой-то передаче (в зависимости от дорожных условий и загрузки автомобиля) скорость движения достигнет максимальной. Обороты двигателя – также наивысшие.

Но у нас в запасе еще достаточно передач, давайте начнем использовать и их. И что же – скорость движения автомобиля станет понижаться, а частота вращения двигателя – еще более! Если передач в запасе достаточно много, мы вообще можем довести двигатель, а, стало быть, и сам автомобиль до остановки, особенно если прицеп тяжел или дорога пошла на подъем. Вместо ожидаемых 130...140 км/ч автомобиль на высшей, шестнадцатой, передаче может «поплестись» со скоростью 50...60 км/ч, а при переходе на низшие передачи может даже прибавить скорость. Поясним это явление, часто непонятное для водителей.

Экономичность – в увеличении числа ступеней

На первых автомобилях, паровых, вообще не было коробок передач. Потом появились двух- и трехступенчатые. Старые «Москвичи» и «Победы» были с трехступенчатой коробкой передач. Эти коробки были трехвальными, и высшей передачей была третья – «прямая», когда первичный вал непосредственно соединялся со вторичным. На этой передаче автомобиль достигал максимальной скорости, и вся роль коробки передач заканчивалась. Если такая высокая скорость была не нужна, уменьшали подачу топлива, следовательно, уменьшались и обороты двигателя. Конечно же, страдала экономичность, потому что двигатель начинал работать на неэкономичных «частичных» характеристиках.

Отсюда и пошло увеличение числа ступеней коробки передач. Вначале это число увеличилось от низшей – первой – до «прямой», которая стала уже четвертой или пятой. Затем появились «повышающие», или правильнее – «экономичные» передачи, допустим, шестая, седьмая, восьмая и т.д., на которых автомобиль уже не мог развить максимальной скорости (которая далеко не всегда и нужна), но работал на пониженных оборотах двигателя и максимальном для этих оборотов моменте. А это обеспечивало наибольшую экономичность, то есть меньший расход топлива на 100 км пути. И таких «экономичных» передач нужно было все больше и больше. Уже стало мало восьми ступеней, затем четырнадцати, шестнадцати. Число ступеней коробки стало «зашкаливать» за двадцать. Это уже были не коробки передач, а настоящие «монстры». Им не хватало уже своих «собственных» передач, и они обзаводились демультипликаторами и делителями, которые фактически удваивали число передач в самой коробке.

Поясним на примере, для чего все-таки нужны эти многочисленные «экономичные» передачи. Исходим мы из условия, что двигатель обязательно работает на полной подаче топлива или на «внешней» характеристике. Допустим, что у нас тягач с прицепом, что само по себе соответствует лучшей экономичности перевозки по сравнению с обычным грузовиком. Еще раз допустим, что максимальная скорость этого тягача при средней загрузке по массе прицепа и на лучшей горизонтальной дороге – 140 км/ч. Но скорость эта достигается вовсе не на самой высшей передаче, а на одной из средних, на которой скорость автомобиля соответствует максимальной мощности и максимальным оборотам двигателя.

Но не хочет водитель ехать на такой скорости, мало ли по какой причине – опасно, или дорога впереди занята, расход топлива высокий из-за аэродинамических потерь. И он снижает скорость машины, но не путем уменьшения подачи топлива, и не переходом на низшую передачу (что повысило бы путевой расход топлива), а единственно правильным образом – включая одну из более высоких, «экономичных», передач. Скорость машины уменьшилась, допустим, до 120 км/ч, а обороты двигателя, допустим, с 2500 до 2000 об/мин. Помните, что цифры эти гипотетические, и ни к какому конкретному типу тягача не относятся! Путевой расход топлива уменьшился. Так, переходя на все более высокие передачи, водитель может снижать скорость машины и путевой расход топлива вплоть до минимально устойчивых оборотов двигателя. Известен случай из соревнований по экономичности автомобилей, когда частоту вращения дизельного двигателя довели до 60 об/мин (совсем как число ударов пульса!), скорость – до 30 км/ч, а путевой расход, не поверите – до 100 граммов солярки на 100 км пути! Автомобиль, конечно же, был небольшой, но человека и себя вез!

Но повышать без предела число передач тоже нельзя – коробка превратится в супермонстра и по размерам, и по сложности. А не повышать, тоже плохо – «между» передачами экономичность будет падать, так как неизбежны частичные характеристики.

Вот и пришли мы к необходимости бесступенчатых коробок передач, которые могут обеспечить любую скорость автомобиля в пределах от максимальной (при максимальных оборотах) до минимальной, при которой двигатель работает устойчиво. А заодно и разогнать автомобиль от состояния покоя до любой из этих скоростей без переключения передач, за минимальное время и с максимальным комфортом для водителя и груза. Заметим только, что вторую функцию всегда почему-то считали основной для бесступенчатых автоматических передач, а про первую, дающую наибольшую экономию топлива, забывали!

Ещё лучше – совсем без ступеней

Если число ступеней бесконечно велико, то такую передачу называют бесступенчатой. Переход от одного передаточного числа (которое всегда больше 1, в отличие от передаточного отношения, которое может быть и больше, и меньше 1) к другому здесь осуществляется плавно и без разрыва потока мощности, то есть на ходу.

Бесступенчатые передачи очень грубо можно разделить на такие, которые преобразуют энергию вращения двигателя в электричество, давление жидкости или ее скоростной поток; и такие, которые сохраняют это вращение, лишь преобразуя его по частоте и моменту, вплоть до колес автомобиля.

К первым относятся электрические трансмиссии постоянного или переменного тока, гидростатические трансмиссии, а также наиболее распространенные среди автоматических – гидродинамические, то есть с гидротрансформатором. Заметим, что автоматические коробки передач с гидротрансформаторами к бесступенчатым можно отнести лишь условно, так как все они, кроме собственно бесступенчатого звена – гидротрансформатора, содержат и трех-, четырех, а то и пятиступенчатую дополнительную коробку передач.

Ко второй же группе отнесем все механические бесступенчатые передачи – вариаторы.

Каждая из упомянутых передач имеет достоинства и недостатки. Например, электрические трансмиссии очень сложны и дороги, КПД их невелик, но они незаменимы при очень больших мощностях двигателей – свыше 1 МВт. Гидростатический привод хорош для автомобилей со многими ведущими колесами, например, ракетовозов. Для других случаев этот привод слишком дорог, недолговечен и неэкономичен.

А вот гидродинамический привод, то есть автоматизированная ступенчатая коробка передач с гидротрансформатором – самый распространенный из бесступенчатых приводов на автомобилях. Казалось бы, и КПД этого привода невысок, он дорог и громоздок, и момент передает только в одну сторону – от двигателя к колесам. Таким образом, здесь неэффективны торможение двигателем, запуск с буксира, а главное – невозможен гибридный силовой агрегат на его основе, так как там требуется передача момента в обоих направлениях. А распространен гидродинамический привод только потому, что ничего лучшего пока не создано. Механические вариаторы на сегодняшний день оставляют желать лучшего, хотя мы уверены – за ними будущее. Хотя бы потому, что, попросту говоря, в них энергия вращения не преобразуется ни в какой другой вид и форму. В электрических трансмиссиях вращение вала двигателя в генераторе преобразуется в электричество, которое в тяговых двигателях, например, мотор-колёсах, опять переходит в механическую энергию вращения. В гидростатическом приводе энергия вращения в гидронасосе преобразуется в давление жидкости, а в гидродинамическом – в скоростной поток, а затем идет обратное преобразование – опять во вращение, на сей раз ведущих колес. А за все эти преобразования приходится платить дополнительным расходом энергии. Таковы законы природы!

Если эти фундаментальные принципы выразить на понятном инженерно-экономическом языке, то можно утверждать, что при одинаковых финансовых вложениях в разработку привода автомобиля наиболее экономичным всегда окажется тот, в котором вид и форма энергии не претерпевают изменений от двигателя до ведущего колеса. Так из всех видов бесступенчатого привода только в вариаторах, а именно фрикционных, не меняется ни вид энергии, ни ее форма; нет там даже преобразования вращательного движения в колебательное, возвратно-поступательное и т.д., что имеет место, например, в вариаторах импульсивных. Поэтому экономичность таких вариаторов при должных качествах идеи и выполнения будет максимальной среди бесступенчатых приводов, близкой к той, которой обладает обычный ступенчатый зубчатый привод, в котором также принцип вращения не претерпевает изменений. Но, увы, наличие ступеней делает его неконкурентоспособным на перспективу.

Какой вариатор нужен для автомобиля?

Вариаторов так много и все они так сложны, что рассматривать каждый нет никакой возможности. Поэтому дадим лишь самые общие рекомендации. Итак, каким должен быть вариатор, чтобы максимально удовлетворять особенностям автомобиля?

Во-первых, вариатор должен работать по планетарной схеме с входом на центральное колесо и с отбором мощности с водила. Такая схема вариатора обеспечивает поистине уникальные свойства приводу автомобиля. При трогании с места КПД такого вариатора будет минимальный (а высокий КПД при этом и не нужен!), с повышением скорости автомобиля и мощности двигателя он растет, а при стремлении передаточного числа вариатора к единице КПД стремится к 100%. Если же вариатор работает не по такой схеме, его КПД ниже самого низкого значения для планетарного. Между тем, все существующие вариаторы, используемые в автомобилях – ременные, цепные, торовые – по той или иной причине не могут работать по планетарной схеме.

Во-вторых, вариатор должен быть адаптивным, причем с переменной, регулируемой адаптивностью. Например, свойством адаптивности или самоприспосабливаемости к переменным нагрузкам, обладают гидротрансформатор или электромотор с последовательным возбуждением (сериес-мотор). Фрикционных вариаторов с таким свойством до сих пор не было.

Что же означает свойство адаптивности? Если автомобиль, снабженный таким вариатором, легко загружен и движется по хорошей горизонтальной дороге, то вариатор самостоятельно устанавливает минимальное передаточное число. Скорость при этом разовьется максимальная. Если нагрузки повышаются (подъем, плохая дорога, максимальная масса прицепа), то передаточное число автоматически растет и, в предельном случае, достигает максимума. Все это при одной – средней степени адаптивности. Эту степень, или «мягкость» характеристики вариатора, может по своему усмотрению менять водитель. Тогда при любой загрузке автомобиля он сможет развивать по желанию водителя любую скорость, в пределах, конечно, возможностей двигателя. Подача топлива при этом на всем рабочем режиме автомобиля (кроме особо легких режимов движения на малых нагрузках с малой скоростью) подразумевается полная. Если точнее, то полная с соблюдением экономичности. Для дизелей – это наддув, но без существенного увеличения массы топлива на каждый впрыск, при минимальном удельном расходе топлива.

Такой вариатор – адаптивный и по планетарной схеме, обладающий, кроме того, целым рядом других, необходимых для автомобиля полезных свойств, разработан на кафедре «Детали машин» Московского государственного индустриального университета (МГИУ). Мировая новизна этой конструкции подтверждена двумя патентами РФ на изобретение (№2140028 от 26.05.98 г. «Многодисковый планетарный вариатор» и №2138710 от 16.06.98 г. «Автоматическая бесступенчатая передача», автор – д.т.н., проф. Н.В. Гулиа). В настоящее время на это изобретение еще выдан патент США (US 6,558,286 B1 от 06.05.2003) и готовится выдача патентов в Китае, Германии, Англии, Франции, Италии, Швеции, Швейцарии, Венгрии и Белоруссии.

Принцип устройства и работы коробки передач автомобиля с таким вариатором подробно описан в статьях «Новый многодисковый вариатор с «мягкой» рабочей характеристикой» и «Новый адаптивный фрикционный вариатор для бесступенчатой трансмиссии автомобиля». Там же приведены фотографии опытного образца и данные его испытаний.

Опытный образец показал все требуемые характеристики, ожидаемые от адаптивного вариатора.

На рис. 1 представлено изменение момента на выходе вариатора Т2, что в первом приближении то же самое, что и тяговое усилие на колесах Рк, в процентах в зависимости от передаточного числа вариатора и. Анализ показывает, что регулируя степень адаптивности изменением усилия Рупр на рычаге системы управления вариатором при помощи сжатого воздуха, водитель может обеспечить практически все режимы работы автомобиля, кроме особо легких при малой скорости, где необходимо, кроме того, уменьшать подачу топлива. Поэтому система управления скоростью автомобиля должна быть комбинированной – одна, основная, изменяющая степень адаптивности, и другая, дополнительная, уменьшающая подачу топлива при малых нагрузках. Эта дополнительная система может быть связана с основной (псевдоакселератором) как механически, так и электрически – с помощью соответствующего процессора и сервосистемы.

График зависимости момента на выходе вариатора Т2 и тягового усилия на колёсах Рк от передаточного числа вариатора u

Рис. 1. График зависимости момента на выходе вариатора Т2 и тягового усилия на колёсах Рк от передаточного числа вариатора u: – экспериментальные данные, где усилие Рупр переменное (регулируется оператором); – расчётные данные при различных усилиях Рупр; «+» – усилие Рупр направленно в одну сторону, «–» – Рупр в обратную

Что такое супервариатор?

Вот тут мы затрагиваем совершенно новый вопрос для трансмиссий автомобиля, не имевший еще прецедента или аналога в бесступенчатых коробках передач. Дело в том, что адаптивность трансмиссии, например, вариатора, по нашему мнению, целесообразна тогда, когда она должна помогать автомобилю выбирать скорость, соответствующую его сопротивлениям движению при полной подаче топлива. При этом водитель может, меняя степень адаптивности, добиться косвенным образом такого передаточного числа вариатора, чтобы скорость автомобиля его устраивала. Особенно целесообразно это на стадии разгона, чтобы уменьшить психомоторную нагрузку на водителя, который в это время почти не манипулирует с органом управления скоростью (псевдоакселератором).

Что же касается движения с почти постоянной скоростью, да ещё на экономичном режиме, то тут адаптивность оказывается лишней, лишь затрудняя выбор необходимой водителю скорости движения. Эту скорость труднее установить, потому что меняются сразу два параметра – передаточное число вариатора, зависящее от сопротивлений движению автомобиля и степени адаптивности, а уже от этого передаточного числа изменяется и частота вращения вала двигателя. Хорошо, что хоть подача топлива остается постоянной и максимальной (но без обогащения – на пределе с учетом экономичности!). Поэтому движение с медленно меняющейся, практически постоянной скоростью, например, в транспортном потоке на шоссе должно осуществляться при двух основных условиях – полной подаче топлива и принудительном изменении передаточного числа от минимального (для самой низкой скорости движения автомобиля по условиям устойчивости работы двигателя на минимальных оборотах) до того, которое соответствует максимальной скорости автомобиля при данных сопротивлениях движению. Для современного тягача с прицепом это что-то в пределах 40...140 км/ч. При потребности в меньшей скорости уже не обойтись без снижения подачи топлива и перехода на большие передаточные числа («низшие» передачи, если бы коробка была ступенчатой).

Вот здесь и нужен особый режим работы вариатора, когда его передаточное число могло уменьшиться еще в 1,5...2,5 раза, но обеспечивая при этом максимальный КПД, не ниже 0,95...0,98! В итоге, общий диапазон варьирования передаточного числа составил бы 12...20, и при этом, начиная с «прямой» передачи (то есть такой, когда выходной вал вращается с частотой вала двигателя; естественно никакого «прямого» соединения этих валов, как, например, в трехвальной коробке передач быть не может!), КПД не опускался бы ниже 0,95, достигая значений 0,97...0,98 при минимальном передаточном числе, то есть на самом экономичном режиме движения автомобиля.

Все это выглядит фантастикой, но вариатор по планетарной схеме, работающий в «замкнутом» режиме, позволяет сделать и это. Современная теория и практика так называемых замкнутых передач позволяет превратить повышение передаточного числа вариатора в снижение передаточного числа всего привода, в данном случае названного супервариатором («Широкодиапазонный бесступенчатый привод – супервариатор», международная заявка PCT /RU03/00298,2003, автор – Н.В. Гулиа). Такие примеры в вариаторостроении имеются и они известны.

На рис. 2 представлена зависимость КПД η бесступенчатой коробки передач на основе супервариатора от частоты вращения выходного вала n2 и передаточного числа коробки передач u.

График зависимости КПД от частоты вращения выходного вала n2 и передаточного числа коробки передач

Рис. 2. График зависимости КПД η от частоты вращения выходного вала n2 и передаточного числа (отношения) коробки передач u: 1 – для бесступенчатой коробки передач на основе супервариатора; 2 – для гидромеханической коробки передач (для сравнения)

Физически работа супервариатора протекает следующим образом: от передаточного числа u = 10 до «прямой» передачи с u = 1 супервариатор работает как описанный ранее адаптивный вариатор. Но, начиная с u = 1, водитель, продолжая нажимать на педаль псевдоакселератора, уже не меняет степень адаптивности вариатора, а начинает принудительно увеличивать это передаточное число, что позволяют кинематические связи вариатора. При этом, вследствие «замкнутости» планетарной (правильнее дифференциальной) схемы супервариатора, его общее передаточное отношение уменьшается, например, от 1 до 0,6 при КПД от 0,95 до 0,98.

В настоящее время на основе упомянутого выше опытного образца адаптивного вариатора (в виде мотор-вариатора) изготовляется опытный образец супервариатора, сборочный чертёж которого приведён на рис. 3 Имеющийся вариатор изображен на рис. 3 справа тонкими линиями. Слева у вариатора имеется «приставка», которая, собственно, и делает вариатор супервариатором.

Конструкция супервариатора

Рис. 3. Конструкция супервариатора: 1 – шайба фиксатора, 2 – выжимной подшипник, 3 – шайба, 4 – шток, 5 – зубчатая муфта, 6 – палец, 7 – выходной вал вариатора, 8 – водило, 9 – входной вал вариатора

В положении, представленном на рис. 3, выходной вал вариатора, соединённый с водилом 8 левого планетарного ряда, через общий эпицикл и правый планетарный ряд, заблокированный пальцами 6, приводит втулку 7, непосредственно соединённую с выходным валом супервариатора. В этом положении супервариатор работает как адаптивный вариатор, и его КПД, определённый экспериментально, представлен на рис. 2, между передаточными числами 12 и 1. Понижая передаточное число, мы доводим его с 12 до 1. Передаточное число = 1 означает, что частота вращения выходного вала и всего правого планетарного ряда (вращающегося в заблокированном виде как одно целое) одинаковы, и поэтому не представляет сложности включение зубчатой муфты 5 с последующим разблокированием правого планетарного ряда путём освобождения пальцев 6. Выходной вал во время этой операции будет вращаться с одной и той же частотой, и разрыва потока мощности не будет.

А теперь мы уже принудительно будем увеличивать передаточное число вариатора с 1 до 12. И при этом, благодаря разблокированному правому планетарному ряду, играющему роль дифференциальной передачи, замыкающей входной 9 и выходной 7 валы вариатора, мы получаем на выходном валу супервариатора (втулке 7) уже повышение частоты вращения по сравнению с валом 9 и передаточное отношение меньше 1 – от 1 до 0,6 (см. график на рис. 2). КПД при этом рекордно высок – от 0,95 до 0,98, а ведь эта ветвь характеристики наиболее важна для движения автомобиля по шоссе!

Обратный переход на понижение частоты вращения осуществляется аналогично. Переведение устройства с режима вариатора на режим супервариатора осуществляется в опытном образце осевым перемещением шайбы 1, выжимного подшипника 2, шайбы 3 и штока 4, включающих и выключающих муфту 5. Это происходит, повторим, без разрыва потока мощности, так как некоторое время муфта 5 бывает включена при заблокированном положении в правом планетарном ряде. В результате – рекордные показатели по диапазону варьирования и по КПД (диапазон – 20 и выше; КПД до 0,98), недостижимые для других видов бесступенчатых передач.

 

Дата публикации:

13 октября 2004 года

Электронная версия:

© НиТ. Препринт, 1997

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2016
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика